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氢能商业化的德国模式

德国总理默克尔4月在媒体上公开表示,未来德国将采用电能或氢动力燃料来改变现有的汽车行业。截至目前,德国已投资3.93亿欧元用于支持氢能及燃料电池技术发展。

近几年,从研发机构到企业,德国围绕氢能的开发和应用进行了诸多尝试和探索,通过示范项目加快了氢能制造和利用商业化的步伐。去年9月,世界上第一辆氢动力列车在德国北部100公里长的轨道上运行。虽然比现有柴油车昂贵,但新的零排放发动机对环境更友好。氢动力列车配备了燃料电池,通过氢和氧的结合发电,这一过程只排放蒸汽和水,而不是二氧化碳,多余的能量储存在火车上的锂离子电池中。这列名为Coradia iLint的列车仅用一箱氢气就能行驶1000公里。

在成功运行第一辆列车后,列车制造商阿尔斯计划2021年前向下萨克森州提供14辆氢动力列车。除了氢动力列车,德国在发展氢能基础设施方面也不遗余力。数据显示,截至2018年底,德国有60座加氢站。预计到2019年底德国加氢站数量将增至100座。2018年,全球共新增48座加氢站投入运营,其中德国新增最多,有17个公共加氢站。

虽然德国在能源转型方面取得了巨大成功,可再生能源比例不断提高,但在国际社会,其递增的碳排放量一直受到诟病,氢能的开发和利用成为该国能源工业和交通领域近几年研发的重点方向。

政府扶持

德国政府和社会产业资本对氢能和燃料电池的扶持始于2006年。彼时,德国政府为了积极推动氢能基础设施的发展和建设,牵头成立了国家全资公司,以支持氢能经济的初期发展。该公司的管理层由德国联通署、建筑与城市发展部等5个部门组成。

为推动氢能发展项目的实施,国家全资公司启动了“国家氢和氢燃料电池技术创新计划”。通过该计划,共募集14亿欧元的专项资金,用于2007~2016年的氢能项目开发。其中7亿欧元由德国政府出资,扶持750个相关项目。剩余资金则按项目合作制度由社会产业资本提供。

在第一阶段扶持计划实施后,“国家氢和氢燃料电池技术创新计划”宏观层面上使德国氢能和燃料电池工业的增值产业链得到加强,德国在燃料电池的供应和制造方面排名全球第三(位于日本和美国之后)。此外,“国家氢和氢燃料电池技术创新计划”也极大地推动了氢能和燃料电池市场在德国的发展。据统计,2006~2016年,获得“国家氢和氢燃料电池技术创新计划”支持的公司销售额增加了3倍。

在汽车行业,戴姆勒和宝马也加大了对燃料电池汽车研发的投入,加快批量生产的步伐。随着电气自动化和互联驱动技术的发展,汽车行业面临自汽车发明以来最大的机动性革命,燃料电池是这一发展的关键技术。为此,德国联邦政府批准了支持氢和燃料电池技术的第二阶段计划。现阶段注重解决市场开拓的问题,建立相应的基础设施,为氢气生产、运输、住宅能源供应、工业应用、燃料电池特殊应用等领域持续提供政策经济上的支持。

商业化探索

对于下一阶段氢能商业化的探索,德国进行的是一场自上而下的活动。政府对于研发的扶持,激发了下游市场的活力。近几年,特别是围绕大城市基础设施的布局,对于氢能的应用尝试也愈加广泛,除了传统的大公司,也出现了众多小型的初创公司。

产业联盟是推动氢能发展的商业化力量之一。由法液空 、戴姆勒、林德集团、奥地利OMV公司、壳牌和道达尔等6家氢能产业的龙头企业结成了H2Mobility联盟,以社会产业资本的身份一同支持德国氢能产业发展。

宝马提议成立了AutoStack-Industrie联盟,旨在为德国及欧洲其他燃料电池供应商提供技术经济支持,该联盟吸引到包括大众集团、福特、优美科等在内的众多企业加入。

除了大公司研发,初创公司的加入也给氢能商业化应用增添了更多可能性。据报道,几乎全球所有氢气(96%)都是通过蒸汽重整甲烷生产的,但是过程最终产生二氧化碳。为了实现可持续发展,这种生产方法需要采用碳捕集和储存技术,但该技术本身也不够成熟,需要进一步研发。

可再生能源电解水制氢,能避免碳排放的问题。然而使用这种方法生产的氢气量取决于可再生能源的电力成本和可用性。目前这一技术占全球制氢比例有限,并且成本高昂。多数行业分析师预计,电解能力的显著提高将在未来十年内将成本降低70%。

然而,绿色氢气成本的关键因素是电解过程中使用的绿色电力的价格。英国皇家学会的一份报告表明,电解可能更适合移动交通和离网部分,而不是大规模集中制氢。

不久前,壳牌、西门子和TenneT公司联合呼吁德国政府,加速利用海上风电制氢的技术研究,并建议考虑开展海上风电制氢项目招标。风电制氢和其他制氢路线一样,如何降低制氢成本,是氢能商业化应用的主要障碍之一。

Sunfire是德国一家正在研发固体氧化物电解池技术的初创公司,并希望将其大规模商业化。该公司正在研发生产可再生合成燃料的解决方案,并为不同的行业应用提供能源系统解决方案。该公司称,可逆双模系统可用电解槽生产80%的绿色氢气,也可作为燃料电池,系统产生的热量可反馈到钢厂,用于稳定电网的电力。

除了产业链前端制氢,氢的运输和储存也是德国一些初创公司的研发重心。政府在前期氢能基础设施方面的投入,给他们提供了更多可以试验的应用场景,如固态储氢,天然气管网中制氢、储氢等。

毫无疑问,迈向氢能世界不会在一夜之间发生,这一过程将是艰难的。

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